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南昌大学实验报告学号：6100210051 专业班级：中兴101班综合□设计□创新实验日期：2012-4-1 实验成绩：实验一电子仪器的使用一、实验目的1、学习使用电子实验中常用的电子仪器——示波器、函数信号发生器、交流毫伏表、数字万用表、组合试验箱等的主要技术指标、性能及正确使用方法。
2、学习模拟电路实验箱的使用。
3、初步掌握使用双踪示波器观察正弦信号的方法。
二、实验原理示波器、函数信号发生器、交流毫伏表、数字万用表等和万用表一起，可以完成对电子电路的静态和动态工作情况的测试。
实验中，各仪器的连接如图1——1所示。
注意，各仪器的共地端应连接在一起，称共地。
1、函数信号发生器可以产生正弦波、方波、三角波等各种信号波形。
按键操作，数字显示，输出分A、B两路，输出频率范围40mhz~6Mhz，输出电压幅度2mVp-p~20Vp-p。
输出阻抗50欧。
作为信号源，输出端不允许短路。
2、交流毫伏表用来测量正弦电压的有效值，应在工作频率范围内使用。
为防止过载而损坏仪表，应在电压量程内使用。
测量范围为30Uv~300V、5Hz~2MHz。
3、示波器能显示信号波形，并对信号参数进行测量。
三、实验设备与器材四、实验内容（一）测试示波器“校正信号”波形的幅度、频率，并把数据计入表1——1中。
（二）用示波器和交流毫伏表测量信号参数用函数信号发生器输出频率分别为100Hz、1KHz、10KHz、100KHz，有效值为1V 的正弦波信号，用毫伏表测量信号电压幅值，用示波器测量信号源输出电压频率计及幅值，并把数据记入表1——2.（三）用双踪示波器测量两个波形间的相位差按图1——2连接电路。
信号发生器其输出频率1KHz，幅值2V的正弦波，经RC移相网络获得频率相同但相位不同的两个信号Ui和Ur，分别加到双踪示波器两个通道CH1、CH2，测量两个波形间的相位差。
（注：图中，C=0.1uf，R=1K。
）图1——2测量相位差电路图图1——3双踪示波器显示两相位不同的正弦波五、实验步骤1、使用函数信号发生器产生频率为100Hz，有效值为1V的正弦波。
电路原理中的电压在电路原理中，电压是指电路中电荷运动所产生的电势差。
它是衡量电路中电子流动的力量大小的物理量。
在电路中，电压通常用符号”V”表示，单位是伏特（V）。
有效值在电路中，电压的有效值（也称为RMS值）是指交流电压的平方平均值的开平方。
它是衡量交流电压大小的一个重要参数。
有效值可以用来比较不同电压波形的大小，并且在电路分析和设计中有广泛应用。
对于一个正弦波形的电压，其有效值可以通过以下公式计算：V rms=V √2其中，V r ms表示有效值，V peak表示峰值电压。
有效值的概念源于热力学中的平均功率定理。
根据平均功率定理，电阻中消耗的功率与电压的平方成正比。
因此，有效值可以看作是产生相同平均功率的直流电压。
有效值在电路分析中的应用非常广泛。
例如，在计算电路中电阻的功率消耗时，可以使用有效值。
此外，电器设备的额定电压通常指的是交流电压的有效值。
峰峰值峰峰值是指交流电压波形的最大正值与最大负值之间的差值。
它表示了交流电压波形的振幅大小。
对于一个正弦波形的电压，其峰峰值可以通过以下公式计算：V p p=2⋅V peak其中，V p p表示峰峰值，V peak表示峰值电压。
峰峰值常用于描述交流电压波形的振幅大小。
例如，在音频设备中，峰峰值可以用来衡量音频信号的幅度范围，从而确定设备的动态范围。
平均值在电路中，电压的平均值是指电压波形在一个完整周期内的平均值。
它是衡量电压波形的直流分量的一个重要参数。
对于一个正弦波形的电压，其平均值为零。
因为正弦波形的上半周期与下半周期的面积相等，所以它们的平均值相互抵消，结果为零。
然而，对于非对称的波形，平均值将不为零。
例如，对于一个矩形波形的电压，其平均值等于其占空比乘以峰值电压。
平均值在电路分析和设计中也有广泛应用。
例如，在直流电源的设计中，需要使用平均值来确定输出电压的稳定性。
总结在电路原理中，电压的有效值、峰峰值和平均值是描述交流电压波形特征的重要参数。
正弦交流信号有效值的测量，需要测量正弦信号的峰值，利用正弦信号有效值的计算公式就可以得到正弦信号的有效值。
要进行基于单片机的正弦信号有效值的测量，需要先将模拟量转换为数字量，将所得的数据经由单片机处理，再将最后的结果显示出来。
设计的电路主要包括信号采集与转换电路，单片机控制电路和显示电路。
其中，有效值的计算在本次设计中主要利用软件部分的设计完成。
关键词：有效值测量，模数转换电路，单片机控制AbstractSinusoidal ac signal effective value measurement, need to measure the peak value of the sine signal, using the sine signal effective value calculation formula of the effective value of sine signal can be calculated out. Must carry on the sine signal RMS measurement based on single chip microcomputer, need to convert analog to digital quantity, will the data processed by single chip microcomputer, then the final result of display. Design the circuit mainly includes signal acquisition and conversion circuit, SCM control circuit and display circuit. Among them, the RMS calculation in the design of the main use of the design of the software part is complete.Keywords: RMS measurement, modulus conversion circuit, single chip microcomputer control1 电路设计为了测得正弦信号的有效值，硬件电路的设计应包括信号的输入采集电路，模拟量与数字量转换电路，单片机控制电路与数字显示电路。
基于单片机正弦波有效值的测量一．简介本作品以单片机STC12C5A60S2为主控芯片并以此为基础，通过二极管1N5819实现半波整流，使用单片机内部自带10位AD对整流后的输入信号进行采样，从而实现对峰值的检测；同时通过运放LM837对输入信号进行放大，之后通过施密特触发器，将原始信号整形成可被单片机识别的标准脉冲波形，之后配合内部计数器（定时器）达到测量其频率的目的；这样，整流和AD采样实现对输入信号峰值的检测；通过放大、整形实现对输入信号频率的检测。
二．基本功能与技术指标要求（1）输入交流电压：1mV～50V,分五档：①1mV~20mV，②20mV~200mV,③200mV~2V,④2V~20V,⑤20v~50V。
（2）正弦频率；1Hz~100kHz；（3）检测误差：≤2%；（4）具有检测启动按钮和停止按钮，按下启动按钮开始检测，按下停止按钮停止检测；（5）显示方式：数字显示当前检测的有效是，在停止检测状态下，显示最后一次检测到的有效值；（6）显示：LCD，显示分辨率：每档满量程的0.1%；三．理论分析本文要求输入交流信号，通过电路测量其峰值，频率，有效值以及平均值，因为输入的交流信号为模拟信号，而一般处理数据使用的主控芯片单片机处理的是数字信号，所以我们选择使用数模转换器AD（Analog to Digital Converter）将输入的模拟信号转换为数字信号，并进行采样；由于要求输入交流信号电压峰峰值Vpp为50mV~10V，所以如果我们采用AD为8位，则最小采样精度为，因此会产生78.4%的误差，并且题目要求输入交流信号的频率范围为40Hz～50kHz，所以为了保证对高频率信号的单周期内采样个数，我们需要选择尽量高速度的AD；因此我们选用使用单片机STC12C5A60S2，其内部自带AD为8路10位最高速度可达到250KHz，所以我们可以将最小采样精度缩小到，并且在输入交流信号频率最大时（50KHz）在单个周期内可采集5个点，因此可保证测量精度。
实验一：电压源与电压测量仪器系别：姓名:学号：实验日期：一、实验目的1掌握直流稳压电源的功能、技术指标和使用方法；2掌握任意波函数信号发生器的功能、技术指标和使用方法；3掌握四位半数字万用表功能、技术指标和使用方法；4学会正确选用电压表测量直流、交流电压。
二、实验仪器1直流稳压电源 1台2数字函数信号发生器 1台3数字万用表 1台4电子技术综合实验箱 1台三、实验原理（一）GDP-3303型直流稳压电源1、直流稳压电源的主,要特点具有三路完全独立的浮地输出(CH1、CH2、FIXED)固定电源可选择输出电压值2.5V、3.3V和5V，适合常用芯片所需固定电源。
(2)两路（主路CHI键、从路CH2键）可调式直流稳压电源，两路均可工作在稳压、稳流工作方式，稳压值为0-32V连续可调，稳流值为0-2A连续可调。
(3)两路可调式直流稳压电源可设置为组合（跟踪）工作方式，在组合（跟踪）工作方式下，可选择：①串联组合方式（面板SER/INDEP键）：通过调节主路CH1电压、电流，从路CH2电乐、电流自动跟随主路CH1变化，输出电压最大可达两路电压的额定值之和(接线端接CHl+和CH2-)。
②并联组合方式（面板PARA/INDEP键）：通过调节主路CH1电压，从路CH2电压自动跟随主路CH1变化，两路电流可单独调节，输出电流可达两路屯流的设定值之和。
(4)锁定功能：为避免电源使用过程中，误调整电压或电流值，该仪器还设置锁定功能（面板LOCK键），当按下按键时，电压、电流调节旋钮不起作用，若要解除该功能，则艮按该键即可。
(5)输出保护功能：当调节完成电压、电流后，需通过按面板OUTPUT键才能将所调电压、电流从输出孔输出。
2、使用方法1开机前，讲电流调节旋钮调到最大值，电压调节旋钮调到最小值。
开机后再将电压旋流调到需要的电压值。
2当电源作为恒流源使用时，开机后，通过电流调节旋钮调制需要的稳流值。
3当电源作为稳压源使用时，可根据需要调节电流旋钮任意设置限流保护点。
例谈正弦交流电的有效值和平均值〔关键词〕物理教学；正弦交流电；有效值；平均值；计算；应用一、交流电的有效值和平均值的意义有效值是根据电流的热效应来规定的.让交流和直流电通过阻值相等的电阻，如果在相同的时间内产生的热量相同，那么这一直流的数值就叫做该交流电的有效值，有效值是交流电的几何平均值.交流电的平均值是指在某一段时间内产生的交变电流对时间的平均值，是交流电的算术平均值，其值大小表示单位时间内通过的电量平均值，在交流图象中波形对横轴所围“面积”与时间的比值.二、正弦交流电的有效值和平均值计算公式（1）正弦交流电的有效值积分法。
根据有效值的意义，在一个周期内，交流电流i通过电阻R产生的热量与稳恒电流I通过同一个电阻R产生的热量相等.即交流电i与稳恒电流I等效.稳恒电流I，在时间T内通过电阻R产生的热量为：Q=I2RT交流电i=Imsin？棕t，在一个周期T内通过电阻R产生的热量为：Q=iRdt=IRsin？棕tdt=IR[dt-cos？棕tdt]=IRT则：IRT=IRT 解得：I=同理得：E= U=（2）正弦交流电的平均值方法一：根据正弦交流电的对称性，正弦交流电在T内的平均值等于T内的平均值；利用法拉第电磁感应定律，线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴从中心面开始转动T的过程中的平均电动势为：E====可见：对于正弦交流电有：E=I= U=方法二：正弦交流电在T内的平均值等于T时间内的平均值.用积分法得：I=idt=Imsin？棕tdt=sin？棕td？棕t= 即：I=三、应用举例例1：某正弦交流电电压u=50sin100？仔tV，加在一氖管的两端，已知当氖管的两端的电压达到25V时才能发光，则此氖管一个周期内发光的总时间为：（A）0.02s （B）0.0025s （C）0.01s （D）0.005s分析：由交流电电压的表达式u=50sin100？仔tV得：25=50sin100？仔tV解得：t=T，一个周期内发光的时间为tT=T=0.01s，（C）选项正确.例2：求如图所示的交变电流的有效值，其中，每个周期的前半周期的图象为正弦曲线，后半周期为稳恒电流.分析：从t=0开始的任意一个周期内，前半周期电流的有效值为I1=A，后半周期是大小不变的稳恒电流I2=5A由有效值的意义得：I2RT=I12R+I22R解得：I=A。
第四届电子设计竞赛复试实验报告正弦电压信号的产生与有效值测量*********************************************************************复试题目：设计一个频率为1000Hz的正弦波信号发生器，输出幅值为1V左右。
用单片机搭建一个系统，精确地测量该信号的有效值。
并通过串口送到PC机中，通过串口调试助手软件显示该有效值。
题目要求：1、设计一个1000Hz的正弦波振荡器，输出幅度转换为1V。
2、用单片机自带10位AD作为模数转换芯片，不允许扩展其它AD。
3、串口以9.6K波特率向PC机传输数据，在串行调试助手中，以10进制格式显示该正弦波的有效值。
****************************************************************************************************************************************摘要：通过一RC振荡电路，产生1KHz的正弦波，然后经过峰值检波电路，得到其峰值送入Atmega16单片机，由其内部自带ADC处理，并在软件中得到其有效值，经串口发给PC机，并在串口调试助手上显示电压有效值。
关键字：峰值检波有效值ADC 串口****************************************************************************************************************************************** *******************************论文正文****************************** *********************************************************************一、正弦波发生电路正弦波发生电路需要四部分：放大电路：保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，使电路获得一定幅值的输出量，实现能量的控制。
选频网络：确定电路的振荡频率，使电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。
正反馈网络：引入正反馈，作用是使输入信号等于反馈信号。
稳幅环节：也就是非线性环节，作用是使输出信号幅值稳定。
在电路中，可将选频网络和正反馈网络“合二为一”；而且，一般电路中也没有另加稳幅环节，而是依靠运放等的非线性起到稳幅作用。
振荡电路可以有以下三种方案：方案一：RC桥式正弦波振荡电路实用的RC正弦波振荡电路有多种多样，我们选择了最典型的RC桥式正弦波振荡电路。
此方法简单实用，容易选择器件和电路的调试。
它适用于低频振荡，一般用于生产1Hz~1MHz的低频信号。
易于起振，成本低廉。
我们考虑到题目的要求，所以采用了此方法。
方案二：LC并联谐振回路采用LC谐振回路作为选频网络的振荡电路称为LC振荡电路，它主要用来生产高频正弦振荡信号，一般在1MHz以上。
根据反馈形式的不同，LC振荡电路可分为变压器反馈式和三点式振荡电路。
它产生的是高频信号，我们不予考虑。
方案三：石英晶体正弦波振荡电路当晶片产生振动时，机械振动的惯性等效为电感。
考虑题目要求，我们在这里就不讨论了。
综上所述，我们的振荡电路选择了RC桥式正弦波振荡电路。
RC桥式正弦波振荡电路：本电路中，C1、C2、R3、R4组成选频网络和正反馈网络，正弦波振荡频率1/（2*PI*R*C）,33K电阻和4700pF电容均为标准值。
振荡出的峰值由VCC的不同而不同，然后靠R5和R6两者适当的分压来得到1V的1000Hz的正弦信号。
R1和(R2+R7)组成放大电路，放大倍数Au=1+(R2+R7)/R1，通过调节R7，可以满足振荡电路放大要求。
二、信号处理电路要得到正弦信号的有效值可以有以下三种方案：方案一：得到其峰值，由单片机对其进行处理，即可得到其有效值：方案二：对正弦波进行整流、滤波处理，使其变成直流，送入单片机自带的A/D 进行处理，得到其有效值。
由于本题目中的信号幅值较小，仅为1V，因此不能用普通的整流桥电路。
但整流后的的直流与有效值的关系难以确定。
方案三：直接把正弦信号送入单片机进行处理。
本题目中信号为1KHz，一个周期内采128个点，则AD采样速率须达到128K，单片机内部AD速度达不到。
综上所述，采用峰值检波电路。
峰值检波电路：如图所示，Ui为1KHz的1V正弦波电压信号输入。
电路原理如下：输出初始值为0，当待测信号幅度高于0时，前级的运放输出高（相当于比较器），二极管导通。
后级运放相当于跟随器，输出跟随输入的增大，同时电容充电。
当待测信号幅度大于输出时，二极管导通，输出跟随输入，电路工作在“跟随状态”。
当待测信号幅度小于输出时，二极管截止，但由于电容之前充电，存储的能量是之前最大幅度时的，因此后级跟随器依然保持之前的最大幅度，电路工作在“保持状态”。
实际中要注意的问题：1、由于二极管导通电压的存在，最后的峰值要加上导通电压才准确；2、运算放大器的带宽决定了输入信号的最大频率；3、由于电容在此处起电能储存的作用，因此要求电容贮能好，简易使用CBB电容，而不应采用像电解电容之类漏电较大的，或者至少采用瓷片电容等。
4、要在外反馈环加电阻R1，否则有时候会产生问题。
5、为了能够进行放电，故并入电阻R2，但选值时要慎重，权衡时间常数。
三、单片机电路本单片机系统采用外部晶振，使用ISP下载方式，配有具有上电复位和手动复位的复们电路。
一般来说，微处理器的电源接入处都加一滤波电容以去除干扰。
由于单片机所用为TTL电平，而PC机为RS232电平，因些需用一SP232（或MAX232）电平转换芯片将mega16的串口与PC机的串口相连。
四、软件编程处理1、Atmega16内部ADC特点：10位精度；0.5 LSB的非线性度；±2 LSB的绝对精度；65 - 260 µs的转换时间；最高分辨率时采样率高达15 kSPS；8路复用的单端输入通道；7路差分输入通道；2路可选增益为10x与200x的差分输入通道；可选的左对齐ADC读数；0 - VCC 的ADC输入电压范围；可选的2.56V ADC参考电压；连续转换或单次转换模式；通过自动触发中断源启动ADC转换；ADC转换结束中断；基于睡眠模式的噪声抑制器。
2、由于本次处理数据为峰值为1V的电压信号，故可考虑使用ADC内部基准，但有一点要注意，为了增加内部VREF的稳定性，就在32管脚VREF处接一电容，如单片机电路图。
以下是采用ADC0通道进行A/D转换的功能函数：unsigned int mega16_ad(){unsigned int addata;DDRA&=~BIT(PA0);//设PA0口为输入PORTA&=~BIT(PA0);//不带上拉ADMUX=0XC0;//使用片内基准电压源，右对齐，选用ADC0通道ADCSRA=0X80;//ADCSRA|=BIT(ADSC);//启动ADwhile(!(ADCSRA&(BIT(ADIF))));//等待AD转换结束//读数据寄存器的值addata=ADCL;addata=addata+ADCH*256;//0000 00 00 0000 0000return addata;}3、串口发送有两种方式，一种是轮询，一种是中断；考虑到本题目的实际情况和实时性的要求，可采用轮询发送，每隔1秒单片机向PC机发一次数据。
串口初始化的程序可以使用用ICCA VR开发环境自带的编程向导完成。
4、考虑到题目对实时性要求不强，因此可以每隔1秒单片机向PC机发一次数据；可以采取两种方案：1）在程序中加1000ms的延时函数，但这样占用太多的CPU 资源；2）在程序中，采用单片机的定时器1进行数据发送的控制，这样虽然占用中断资源，但不影响CPU的工作，程序中我们采用此方案。
5、程序流程大致辞如下：单片机ADC接收外部电压信号并进行处理，为了更加精确将多个数据进行平均，当到1秒时产生定时器中断，在Timer1中断服务程序里将ADC处理得到的数据能过串口发送程序发送。
具体程序详见附录。
五、误差分析1、正弦波信号振荡频率和幅值（1）本电路中正弦波信号频率由公式：1/（2*PI*R*C）决定，电阻电容本身的不准确性将会使振荡频率有误差，但考虑到本题目对精度的要求，频率误差可以不予考虑。
（2）由于振荡电路产生的幅值与运算放大器所加的电源电压有关（运放电源为±5V或±12V，故振荡出的正弦波幅值肯定大于1V，所以应该降压），因此我们用一简单而实用的电阻分压电路对其进行处理得到1V的正弦波。
在实际电路中，图一中的R5为1KΩ电阻，R6为1KΩ的滑线变阻器。
2、在峰值检波电路中，二极管会造成一定的电压损耗，这一点可以在软件编程时进行补偿；而在硬件中，也加入了R1反馈回路以减小误差。
3、如图二中，R2和C1构成一放电回路，电路中R2=10KΩ，C1=10µF，其时间常数τ=R2*C1=0.1S。
4、由于检波电路所得电压仍有一定的脉动，因此在软件中进行了多次采样，求平均值以减小波动的思想。
由前所述，内部ADC的转换时间为65 - 260 µs，而所采信号是1KHz的正弦信号进行峰值检波得到了，脉动的周期也应为1KHz，即周期为1ms，我们可以采100次后求期平均（100次连续转换时间为6.5ms-26ms），得到较为稳定的输出，然后再由串口发送。
5、实际电路中，图二中的C1用的是10uF的电解电容，电解电容泄露较大，会给峰值检波结果带来影响。
六、方案的改进电路如图所示：我们在前级运放的输出端加一个二极管，与运放的负输入端相连，1、由于A2是跟随器，正负两个输入端电位是相等的，Rf等于把被充在C1上的电压反馈回了A1的负输入端，跟Ui做比较。
2、当Ui过了峰值，低于C1电压时，D2导通让A1成了跟随器。
没有D2的话A1就成了纯粹的比较器，当Ui低于峰值时输出负电压，给D1造成很大的反压，而D1会在反压下增加漏电流，使得C1的峰值保持性能下降。
3、D1截止时（Ui不一定是负，只是低于峰值而已）C1上的电荷因无处释放，峰值电压将被保持，通过跟随器A2对外输出。
所谓“减小D1的非线性误差”想必是相对于把Rf从A1输出引入的做法而言的，这时C1上的电压值比Ui少了D1的正向压降，而且这个压降是非线性的。
如果不接D2，也就是A1开环后，当Ui低于峰值时A1输出为负饱和，一则给D1造成很大的反压造成漏电流，对C1保持峰值不利，二则当Ui再度上升至峰值时运算退出饱和状态需有个恢复时间，动作上会产生瞬间脱节。
